Важнейшие природные источники углеводородов – нефть , природный газ и каменный уголь . Они образуют богатые месторождения в различных районах Земли.
Раньше добытые природные продукты применялись исключительно как топливо. В настоящее время разработаны и широко применяются методы их переработки, позволяющие выделять ценные углеводороды, которые используются и как высококачественное топливо, и как сырье для различных органических синтезов. Переработкой природных источников сырья занимается нефтехимическая промышленность . Разберем основные способы переработки природных углеводородов.
Самый ценный источник природного сырья – нефть . Она представляет собой маслянистую жидкость темно-бурого или черного цвета с характерным запахом, практически нерастворимую в воде. Плотность нефти составляет 0,73–0,97 г/см 3 . Нефть – сложная смесь различных жидких углеводородов, в которых растворены газообразные и твердые углеводороды, причем состав нефти из различных месторождений может отличаться. В различном соотношении в составе нефти могут присутствовать алканы, циклоалканы, ароматические углеводороды, а также кислород-, серу- и азотсодержащие органические соединения.
Сырая нефть практически не применяется, а подвергается переработке.
Различают первичную переработку нефти (перегонку ), т.е. разделение ее на фракции с различными температурами кипения, и вторичную переработку (крекинг ), в процессе которой изменяют структуру углеводоро-
дов, входящих в ее состав.
Первичная переработка нефти основана на том, что температура кипения углеводородов тем больше, чем больше их молярная масса. В состав нефти входят соединения с температурами кипения от 30 до 550°С. В результате перегонки нефть разделяют на фракции, кипящие при различной температуре и содержащие смеси углеводородов с различной молярной массой. Эти фракции находят разнообразное применение (см. таблицу 10.2).
Таблица 10.2. Продукты первичной переработки нефти.
| Фракция | Температура кипения, °С | Состав | Применение |
| Сжиженный газ | <30 | Углеводороды С 3 -С 4 | Газообразное топливо, сырье для химической промышленности |
| Бензиновая | 40-200 | Углеводороды С 5 – С 9 | Авиационное и автомобильное топливо, растворитель |
| Лигроиновая | 150-250 | Углеводороды С 9 – С 12 | Топливо для дизельных двигателей, растворитель |
| Керосиновая | 180-300 | Углеводороды С 9 -С 16 | Топливо для дизельных двигателей, бытовое топливо, осветительное горючее |
| Газойлевая | 250-360 | Углеводороды С 12 -С 35 | Дизельное топливо, сырье для каталитического крекинга |
| Мазут | > 360 | Высшие углеводороды, О-,N-,S-,Ме-содержащие вещества | Топливо для котельных установок и промышленных печей, сырье для дальнейшей перегонки |
На долю мазута приходится около половины массы нефти. Поэтому его также подвергают термической переработке. Чтобы предотвратить разложение, мазут перегоняют при пониженном давлении. При этом получают несколько фракций: жидкие углеводороды, которые применяются в качестве смазочных масел ; смесь жидких и твердых углеводородов – вазелин , используемый при приготовлении мазей; смесь твердых углеводородов – парафин , идущий на производство гуталина, свечей, спичек и карандашей, а также для пропитки древесины; нелетучий остаток – гудрон , используемый для получения дорожных, строительных и кровельных битумов.
Вторичная переработка нефти включает химические реакции, изменяющие состав и химическое строение углеводородов. Ее разновиднос-
ти – термический крекинг, каталитический крекинг, каталитический риформинг.
Термическому крекингу обычно подвергают мазут и другие тяжелые фракции нефти. При температуре 450-550°С и давлении 2–7 МПа происходит расщепление по свободнорадикальному механизму молекул углеводородов на фрагменты с меньшим числом атомов углерода, причем образуются предельные и непредельные соединения:
С 16 Н 34 ¾® С 8 Н 18 + С 8 Н 16
C 8 H 18 ¾®C 4 H 10 +C 4 H 8
Этим способом получают автомобильный бензин.
Каталитический крекинг проводят в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) при атмосферном давлении и температуре 550 - 600°С. При этом из керосиновой и газойлевой фракций нефти получают авиационный бензин.
Расщепление углеводородов в присутствии алюмосиликатов идет по ионному механизму и сопровождается изомеризацией, т.е. образованием смеси предельных и непредельных углеводородов с разветвленным углеродным скелетом, например:
СН 3 СН 3 СН 3 СН 3 СН 3
кат., t ||
C 16 H 34 ¾¾® СН 3 -С -С-СН 3 + СН 3 -С = С - СН-СН 3
Каталитический риформинг проводят при температуре 470-540°С и давлении 1–5 МПа с использованием платинового или платино-рениевого катализаторов, нанесенных на основу из Al 2 O 3 . В этих условиях происходит превращение парафинов и
циклопарафинов нефти в ароматические углеводороды
кат., t, p
¾¾¾¾® + 3Н 2
кат., t, p
С 6 Н 14 ¾¾¾¾® + 4Н 2
Каталитические процессы позволяют получать бензин улучшенного качества благодаря высокому содержанию в нем разветвленных и ароматических углеводородов. Качество бензина характеризуется его октановым числом . Чем сильнее сжата смесь топлива с воздухом поршнями, тем больше мощность двигателя. Однако сжатие можно осуществлять только до определенного предела, выше которого происходит детонация (взрыв)
газовой смеси, вызывающий перегрев и преждевременный износ двигателя. Наименьшая стойкость к детонации у нормальных парафинов. С уменьшением длины цепи, увеличением ее разветвленности и числа двой-
ных связей она возрастает; особенно велика она у ароматических углево-
дородов. Для оценки стойкости к детонации различных сортов бензина их сравнивают с аналогичными показателями для смеси изооктана и н-геп-тана с различным соотношением компонентов; октановое число равно процентному содержанию в этой смеси изооктана. Чем оно больше, тем выше качество бензина. Октановое число можно повысить также добавлением специальных антидетонаторов, например, тетраэтилсвинца Pb(C 2 H 5) 4 , однако такой бензин и продукты его сгорания токсичны.
Помимо жидкого топлива в каталитических процессах получают низшие газообразные углеводороды, которые используются затем как сырье для органического синтеза.
Другой важный природный источник углеводородов, значение которого постоянно возрастает – природный газ . Он содержит до 98%об.метана, 2–3%об. его ближайших гомологов, а также примеси сероводорода, азота, углекислого газа, благородных газов и воды. Газы, выделяющиеся при добыче нефти (попутные ), содержат меньше метана, но больше его гомологов.
Природный газ используется в качестве топлива. Кроме того, из него путем перегонки выделяют индивидуальные предельные углеводороды, а также синтез-газ , состоящий в основном из СО и водорода; их используют как сырье для различных органических синтезов.
В больших количествах добывают каменный уголь – неоднородный твердый материал черного или серо-черного цвета. Он представляет собой сложную смесь различных высокомолекулярных соединений.
Каменный уголь используют как твердое топливо, а также подвергают коксованию – сухой перегонке без доступа воздуха при 1000-1200°С. В результате этого процесса образуются: кокс , представляющий собой тонкоизмельченный графит и применяющийся в металлургии в качестве восстановителя; каменноугольную смолу , которую подвергают перегонке и получают ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол, фенол и др.) и пек , идущий на приготовление кровельного толя;аммиачную воду и коксовый газ , содержащий около 60% водорода и 25% метана.
Таким образом, природные источники углеводородов обеспечивают
химическую промышленность разнообразным и сравнительно дешевым сырьем для проведения органических синтезов, которые позволяют получать многочисленные органические соединения, не встречающиеся в природе, но необходимые человеку.
Общую схему использования природных сырьевых источников для основного органического и нефтехимического синтеза можно представить следующим образом.
Арены Синтез-газ Ацетилен АлкеныАлканы
Основной органический и нефтехимический синтез
Контрольные задания.
1222. В чем отличие первичной переработки нефти от вторичной переработки?
1223. Какие соединения определяют высокое качество бензина?
1224. Предложите способ, позволяющий, исходя из нефти, получить этиловый спирт.
Наиболее важными источниками углеводородов являются природный и попутные нефтяные газы, нефть, каменный уголь.
По запасам природного газа первое место в мире принадлежит нашей стране. В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой. Он имеет следующий примерный состав (по объему): 80–98 % метана, 2–3 % его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана и небольшое количество примесей – сероводорода Н 2 S, азота N 2 , благородных газов, оксида углерода(IV) CO 2 и паров воды H 2 O. Состав газа специфичен для каждого месторождения. Существует следующая закономерность: чем выше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе.
Природный газ широко используется как дешевое топливо с высокой теплотворной способностью (при сжигании 1м 3 выделяется до 54 400 кДж). Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд. Кроме того, природный газ служит ценным сырьем для химической промышленности: получения ацетилена, этилена, водорода, сажи, различных пластмасс, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и других продуктов.
Попутные нефтяные газы находятся в залежах вместе с нефтью: они растворены в ней и находятся над нефтью, образуя газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность газы вследствие резкого падения давления отделяются от нее. Раньше попутные газы не находили применения и при добыче нефти сжигались факельным способом. В настоящее время их улавливают и используют как топливо и ценное химическое сырье. В попутных газах содержится меньше метана, чем в природном газе, но больше этана, пропана, бутана и высших углеводородов. Кроме того, в них присутствуют в основном те же примеси, что и в природном газе: H 2 S, N 2 , благородные газы, пары Н 2 О, CO 2 . Из попутных газов извлекают индивидуальные углеводороды (этан, пропан, бутан и т.д.), их переработка позволяет получать путем дегидрирования непредельные углеводороды – пропилен, бутилен, бутадиен, из которых затем синтезируют каучуки и пластмассы. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин (смесь пентана с гексаном) применяют как добавку к бензину для лучшего воспламенения горючего при запуске двигателя. Окислением углеводородов получают органические кислоты, спирты и другие продукты.
Нефть – маслянистая горючая жидкость темно-бурого или почти черного цвета с характерным запахом. Она легче воды ( = 0,73–0,97 г/ см 3), в воде практически нерастворима. По составу нефть – сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
Нефть состоит главным образом из жидких углеводородов (в них растворены твердые и газообразные углеводороды). Обычно это алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и арены, соотношение которых в нефтях различных месторождений колеблется в широких пределах. Уральская нефть содержит больше аренов. Кроме углеводородов, нефть содержит кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.
Сырая нефть обычно не применяется. Для получения из нефти технически ценных продуктов ее подвергают переработке.
Первичная переработка нефти заключается в ее перегонке. Перегонку производят на нефтеперерабатывающих заводах после отделения попутных газов. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты:
бензин (t кип = 40–200 °С) содержит углеводороды С 5 –С 11 ,
лигроин (t кип = 150–250 °С) содержит углеводороды С 8 –С 14 ,
керосин (t кип = 180–300 °С) содержит углеводороды С 12 –С 18 ,
газойль (t кип > 275 °С),
а в остатке – вязкую черную жидкость – мазут.
Мазут подвергают дальнейшей переработке. Его перегоняют под уменьшенным давлением (чтобы предупредить разложение) и выделяют смазочные масла: веретенное, машинное, цилиндровое и др. Из мазута некоторых сортов нефти выделяют вазелин и парафин. Остаток мазута после отгонки – гудрон – после частичного окисления применяется для получения асфальта. Главный недостаток перегонки нефти – малый выход бензина (не более 20 %).
Продукты перегонки нефти имеют различное применение.
Бензин в больших количествах используется как авиационное и автомобильное топливо. Он состоит обычно из углеводородов, содержащих в молекулах в среднем от 5 до 9 атомов С. Лигроин применяется как горючее для тракторов, а также как растворитель в лакокрасочной отрасли промышленности. Большие количества его перерабатывают в бензин. Керосин применяется как горючее для тракторов, реактивных самолетов и ракет, а также для бытовых нужд. Соляровое масло – газойль – используется как моторное топливо, а смазочные масла – для смазки механизмов. Вазелин используется в медицине. Он состоит из смеси жидких и твердых углеводородов. Парафин применяется для получения высших карбоновых кислот, для пропитки древесины в производстве спичек и карандашей, для изготовления свечей, гуталина и т.д. Он состоит из смеси твердых углеводородов. Мазут помимо переработки на смазочные масла и бензин используется в качестве котельного жидкого топлива.
При вторичных методах переработки нефти происходит изменение структуры углеводородов, входящих в ее состав. Среди этих методов большое значение имеет крекинг углеводородов нефти, проводимый с целью повышения выхода бензина (до 65–70 %).
Крекинг – процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов С в молекуле. Различают два основных вида крекинга: термический и каталитический.
Термический крекинг проводится при нагревании исходного сырья (мазута и др.) при температуре 470–550 °С и давлении 2–6 МПа. При этом молекулы углеводородов с большим числом атомов С расщепляются на молекулы с меньшим числом атомов как предельных, так и непредельных углеводородов. Например:
(радикальный механизм),
Таким способом получают главным образом автомобильный бензин. Выход его из нефти достигает 70 %. Термический крекинг открыт русским инженером В.Г.Шуховым в 1891 г.
Каталитический крекинг проводится в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) при 450–500 °С и атмосферном давлении. Этим способом получают авиационный бензин с выходом до 80 %. Такому виду крекинга подвергается преимущественно керосиновая и газойлевая фракции нефти. При каталитическом крекинге наряду с реакциями расщепления протекают реакции изомеризации. В результате последних образуются предельные углеводороды с разветвленным углеродным скелетом молекул, что улучшает качество бензина:
Бензин каталитического крекинга обладает более высоким качеством. Процесс его получения протекает значительно быстрее, с меньшим расходом тепловой энергии. К тому же при каталитическом крекинге образуется относительно много углеводородов с разветвленной цепью (изосоединений), представляющих большую ценность для органического синтеза.
При t = 700 °С и выше происходит пиролиз.
Пиролиз – разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. При пиролизе нефти основными продуктами реакции являются непредельные газообразные углеводороды (этилен, ацетилен) и ароматические – бензол, толуол и др. Поскольку пиролиз нефти – один из важнейших путей получения ароматических углеводородов, то этот процесс часто называют ароматизацией нефти.
Ароматизация – превращение алканов и циклоалканов в арены. При нагревании тяжелых фракций нефтепродуктов в присутствии катализатора (Pt или Mo) углеводороды, содержащие 6–8 атомов С в молекуле, превращаются в ароматические углеводороды. Эти процессы протекают при риформинге (облагораживание бензинов).
Риформинг – это ароматизация бензинов, осуществляемая в результате нагревания их в присутствии катализатора, например Pt. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, вследствие чего октановое число бензинов также существенно повышается. Ароматизацию применяют для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола) из бензиновых фракций нефти.
В последние годы углеводороды нефти широко используются как источник химического сырья. Различными способами из них получают вещества, необходимые для производства пластмасс, синтетического текстильного волокна, синтетического каучука, спиртов, кислот, синтетических моющих средств, взрывчатых веществ, ядохимикатов, синтетических жиров и т.д.
Каменный уголь так же, как природный газ и нефть, является источником энергии и ценным химическим сырьем.
Основной метод переработки каменного угля – коксование (сухая перегонка). При коксовании (нагревании до 1000 °С – 1200 °С без доступа воздуха) получаются различные продукты: кокс, каменноугольная смола, надсмольная вода и коксовый газ (схема).
Схема
Кокс используют в качестве восстановителя при производстве чугуна на металлургических заводах.
Каменноугольная смола служит источником ароматических углеводородов. Ее подвергают ректификационной перегонке и получают бензол, толуол, ксилол, нафталин, а также фенолы, азотсодержащие соединения и др. Пек – густая черная масса, оставшаяся после перегонки смолы, используется для приготовления электродов и кровельного толя.
Из надсмольной воды получают аммиак, сульфат аммония, фенол и др.
Коксовый газ применяют для обогревания коксовых печей (при сгорании 1м 3 выделяется около 18000 кДж), но в основном его подвергают химической переработке. Так, из него выделяют водород для синтеза аммиака, используемого затем для получения азотных удобрений, а также метан, бензол, толуол, сульфат аммония, этилен.
Глава 1. ГЕОХИМИЯ НЕФТИ И РАЗВЕДКА ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ.. 3
§ 1. Происхождение горючих ископаемых. 3
§ 2. Газонефтеродные горные породы. 4
Глава 2. ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ.. 5
Глава 3. ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ.. 8
Глава 4. ПЕРЕРАБОТКА НЕФТИ.. 9
§ 1. Фракционная перегонка.. 9
§ 2. Крекинг. 12
§ 3. Риформинг. 13
§ 4. Очистка от серы.. 14
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ.. 14
§ 1. Алканы.. 15
§ 2. Алкены.. 16
§ 3. Алкины.. 18
§ 4. Арены.. 19
Глава 6. Анализ состояния нефтяной промышленности. 20
Глава 7. Особенности и основные тенденции деятельности нефтяной промышленности. 27
Список использованной литературы... 33
Первые теории, в которых рассматривались принципы, определяющие залегание месторождений нефти, обычно ограничивались главным образом вопросом о местах ее скопления. Однако за последние 20 лет стало ясно, что для ответа на этот вопрос необходимо разобраться в том, почему, когда и в каких количествах произошло образование нефти в том или ином бассейне, а также понять и установить, в результате каких процессов она зарождалась, мигрировала и накапливалась. Эти сведения совершенно необходимы для повышения результативности разведки нефти.
Образование углеводородных ископаемых, согласно современным воззрениям, происходило в результате протекания сложной последовательности геохимических процессов (см. рис. 1) внутри исходных газонефтеродных горных пород. В этих процессах составные части различных биологических систем (веществ природного происхождения) превращались в углеводороды и в меньшей степени в полярные соединения с различной термодинамической устойчивостью - в результате осаждения веществ природного происхождения и последующего их перекрывания осадочными породами, под влиянием повышенной температуры и повышенного давления в поверхностных слоях земной коры. Первичная миграция жидких и газообразных продуктов из исходного газонефтеродного слоя и последующая их вторичная миграция (через несущие горизонты, сдвиги и т. п.) в пористые нефтенасыщенные горные породы приводит к образованию залежей углеводородных материалов, дальнейшая миграция которых предотвращается запиранием залежей между непористыми слоями горных пород.
В экстрактах органического вещества из осадочных горных пород биогенного происхождения обнаруживаются соединения с такой же химической структурой, какую имеют соединения, извлекаемые из нефти. Для геохимии имеют особо важное значение некоторые из таких соединений, которые считаются «биологическими метками» («химическими ископаемыми»). Подобные углеводороды имеют много общего с соединениями, встречающимися в биологических системах (например, с липидами, пигментами и метаболитами), из которых произошло образование нефти. Эти соединения не только демонстрируют биогенное происхождение природных углеводородов, но и позволяют получать очень важную информацию о газонефтеносных горных породах, а также о характере созревания и происхождения, миграции и биоразложения, приведших к образованию конкретных месторождений газа и нефти.
Рисунок 1 Геохимические процессы, приводящие к образованию ископаемых углеводородов.
Газонефтеродной горной породой считается мелкодисперсная осадочная порода, которая при естественном осаждении привела или могла привести к образованию и выделению значительных количеств нефти и (или) газа. Классификация таких горных пород основана на учете содержания и типа органического вещества, состояния его метаморфической эволюции (химических превращений, происходящих при температурах приблизительно 50-180 °С), а также природы и количества углеводородов, которые могут быть получены из него. Органическое вещество кероген в осадочных горных породах биогенного происхождения может обнаруживаться в самых разнообразных формах, но его можно подразделить на четыре основных типа.
1) Липтиниты – имеют очень высокое содержание водорода, но низкое содержание кислорода; их состав обусловлен наличием алифатических углеродных цепей. Предполагается, что липтиниты образовались в основном из водорослей (обычно подвергшихся бактериальному разложению). Они имеют высокую способность к превращению в нефть.
2) Экзтиты – имеют высокое содержание водорода (однако ниже, чем у липтинитов), богаты алифатическими цепями и насыщенными нафтенами (алицик-лическими углеводородами), а также ароматическими циклами и кислородсодержащими функциональными группами. Это органическое вещество образуется из таких растительных материалов, как споры, пыльца, кутикулы и другие структурные части растений. Экзиниты обладают хорошей способностью к превращению в нефть и газовый конденсат , а на высших стадиях метаморфической эволюции и в газ.
3) Витршиты – имеют низкое содержание водорода, высокое содержание кислорода и состоят в основном из ароматических структур с короткими алифатическими цепями, связанными кислородсодержащими функциональными группами. Они образованы из структурированных древесных (лигноцеллюлозных) материалов и имеют ограниченную способность превращаться в нефть, но хорошую способность превращаться в газ.
4) Инертиниты – это черные непрозрачные обломочные породы (с высоким содержанием углерода и низким содержанием водорода), которые образовались из сильно изменившихся древесных предшественников. Они не обладают способностью превращаться в нефть и газ.
Главными факторами, по которым распознается газонефтеродная порода, являются содержание в ней керогена, тип органического вещества в керогене и стадия метаморфической эволюции этого органического вещества. Хорошими газонефте-родными породами считаются те, которые содержат 2-4% органического вещества такого типа, из которого могут образовываться и высвобождаться соответствующие углеводороды. При благоприятных геохимических условиях образование нефти может происходить из осадочных пород, содержащих органическое вещество типа липтинита и экзинита. Образование месторождений газа обычно происходит в горных породах, богатых витринитом или в результате термического крекинга первоначально образовавшейся нефти.
В результате последующего погребения осадков органического вещества под верхними слоями осадочных пород это вещество подвергается воздействию все более высоких температур, что приводит к термическому разложению керогена и образованию нефти и газа. Образование нефти в количествах, представляющих интерес для промышленной разработки месторождения, происходит в определенных условиях по времени и температуре (глубине залегания), причем время образования тем больше, чем ниже температура (это нетрудно понять, если предположить, что реакция протекает по уравнению первого порядка и имеет аррениусовскую зависимость от температуры). Например, то же количество нефти, которое образовалось при температуре 100°С приблизительно за 20 миллионов лет, должно образоваться при температуре 90 °С за 40 миллионов лет, а при температуре 80°С – за 80 миллионов лет. Скорость образования углеводородов из керогена приблизительно удваивается при повышении температуры на каждые 10°С. Однако химический состав керогена. может быть чрезвычайно разнообразным, и поэтому указанное соотношение между временем созревания нефти и температурой этого процесса может рассматриваться лишь как основа для приближенных оценок.
Современные геохимические исследования показывают, что в континентальном шельфе Северного моря увеличение глубины на каждые 100 м сопровождается повышением температуры приблизительно на 3°С, а это означает, что богатые органическим веществом осадочные породы образовывали жидкие углеводороды на глубине 2500-4000 м в течение 50-80 миллионов лет. Легкие нефти и конденсаты, по-видимому, образовывались на глубине 4000-5000 м, а метан (сухой газ) – на глубине более 5000 м.
Природными источниками углеводородов являются горючие ископаемые - нефть и газ, уголь и торф. Залежи сырой нефти и газа возникли 100-200 миллионов лет назад из микроскопических морских растений и животных, которые оказались включенными в осадочные породы, образовавшиеся на дне моря, В отличие от этого уголь и торф начали образовываться 340 миллионов лет назад из растений, произраставших на суше.
Природный газ и сырая нефть обычно обнаруживаются вместе с водой в нефтеносных слоях, расположенных между слоями горных пород (рис. 2). Термин «природный газ» применим также к газам, которые образуются в природных условиях в результате разложения угля. Природный газ и сырая нефть разрабатываются на всех континентах, за исключением Антарктиды. Крупнейшими производителями природного газа в мире являются Россия, Алжир, Иран и Соединенные Штаты. Крупнейшими производителями сырой нефти являются Венесуэла, Саудовская Аравия, Кувейт и Иран.
Природный газ состоит главным образом из метана (табл. 1).
Сырая нефть представляет собой маслянистую жидкость, окраска которой может быть самой разнообразной – от темно-коричневой или зеленой до почти бесцветной. В ней содержится большое число алканов. Среди них есть неразветвленные алканы, разветвленные алканы и циклоалканы с числом атомов углерода от пяти до 40. Промышленное название этих циклоалканов-начтены. В сырой нефти, кроме того, содержится приблизительно 10% ароматических углеводородов, а также небольшое количество других соединений, содержащих серу, кислород и азот.
1. Природные источники углеводородов: газ, нефть, каменный уголь. Их переработка и практическое применение.
Основными природными источниками углеводородов являются нефть, природный и попутный нефтяной газы и каменный уголь.
Природный и попутный нефтяной газы.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан, остальное приходится на долю этана, пропана, Бутана, и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды. 90% его расходуется в качестве топлива, остальные 10% используют как сырье для химической промышленности: получение водорода, этилена, ацетилена, сажи, различный пластмасс, медикаментов и др.
Попутный нефтяной газ – это тоже природный газ, но он встречается вместе с нефтью – находится над нефтью или растворен в ней под давлением. Попутный газ содержит 30 – 50% метана, остальная часть приходится на его гомологи: этан, пропан, бутан и другие углеводороды. Кроме того, в нем присутствуют те же примеси, что и в природном газе.
Три фракции попутного газа:
1. Газовый бензин; его добавляют к бензину для улучшения запуска двигателя;
2. Пропан-бутановая смесь; применяется как бытовое топливо;
3. Сухой газ; используют для получения ацителена, водорода, этилена и других веществ, из которых в свою очередь производят каучуки, пластмассы, спирты, органические кислоты и т.д.
Нефть.
Нефть – маслянистая жидкость от желтого или светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она легче воды и в ней практически нерастворима. Нефть представляет собой смесь примерно 150 углеводородов с примесями других веществ, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
90% добываемой нефти используется как сырье для производства различных видов топлива и смазочных материалов. В то же время нефть – ценное сырье для химической промышленности.
Нефть, добываемую из земных недр, называю сырой. В сыром виде нефть не применяют, ее подвергают переработке. Сырую нефть очищают от газов, воды и механических примесей, а затем подвергают фракционной перегонке.
Перегонка – процесс разделения смесей на отдельные компоненты, или фракции, на основании различия их температур кипения.
При перегонке нефти выделяют несколько фракций нефтепродуктов:
1. Газовая фракция (tкип = 40°С) содержит нормальные и разветвленные алканы СН4 – С4Н10;
2. Бензиновая фракция (tкип = 40 - 200°С) содержит углеводороды С 5 Н 12 – С 11 Н 24 ; при повторной перегонке из смеси выделяют легкие нефтепродукты, кипящие в более низких интервалах температур: петролейный эфир, авиационный и автомобильный бензин;
3. Лигроиновая фракция (тяжелый бензин, tкип = 150 - 250°С), содеожит углеводороды состава С 8 Н 18 – С 14 Н 30 , применяют в качестве горючего для тракторов, тепловозов, грузовых автомобилей;
4. Керосиновая фракция (tкип = 180 - 300°С) включает углеводороды состава С 12 Н 26 - С 18 Н 38 ; ее используют в качестве горючего для реактивных самолетов, ракет;
5. Газойль (tкип = 270 - 350°С) используют как дизельное топливо и в больших масштабах подвергается крекингу.
После отгонки фракций остается темная вязкая жидкость – мазут. Из мазута выделяют соляровые масла, вазелин, парафин. Остаток от перегонки мазута – гудрон, его применяют при производстве материалов для дорожного строительства.
Вторичная переработка нефти основана на химических процессах:
1. Крекинг – расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие. Различают термический и каталитический крекинг, который более распространен в настоящее время.
2. Риформинг (ароматизация) - это превращение алканов и циклоалканов в ароматические соединения. Этот процесс осуществляют путем нагревания бензина при повышенном давлении в присутствии катализатора. Риформинг применяют для получения из бензиновых фракций ароматических углеводородов.
3. Пиролиз нефтепродуктов проводят нагреванием нефтепродуктов до температуры 650 - 800°С, основными продуктами реакции являются непредельные газообразные и ароматические углеводороды.
Нефть – сырье для производства не только топлива, но и многих органических веществ.
Каменный уголь.
Каменный уголь так же является источником энергии и ценным химическим сырьем. В состав каменного угля в основном органические вещества, а также вода, минеральные вещества, при сжигании образующие золу.
Одним из видов переработки каменного угля является коксование – это процесс нагревания угля до температуры 1000°С без доступа воздуха. Коксование угля проводят в коксовых печах. Кокс состоит из практически чистого углерода. Его используют в качестве восстановителя при доменом производстве чугуна на металлургических заводах.
Летучие вещества при конденсации каменноугльную смолу (содержит много различных органических веществ, из них большая часть – ароматические), аммиачную воду (содержит аммиак, соли аммония) и коксовый газ (содержит аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), этилен, азот и другие вещества).
Углеводороды имеют большое народнохозяйственное значение, так как служат важнейшим видом сырья для получения почти всей продукции современной промышленности органического синтеза и широко используются в энергетических целях. В них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, каменный уголь, горючие сланцы, нефть, природные и попутные нефтяные газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла.
| каменный уголь | торф | нефть | природный газ |
 |  |
||
| твердый | твердый | жидкость | газ |
| без запаха | без запаха | резкий запах | без запаха |
| однородный состав | однородный состав | смесь веществ | смесь веществ |
| горная порода темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений | скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер | природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов | смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород |
| Теплотворная способность - количество калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива | |||
| 7 000 - 9 000 | 500 - 2 000 | 10000 - 15000 | ? |
Каменный уголь.
Уголь всегда являлся перспективным сырьем для получения энергии и многих химических продуктов.
Первым крупным потребителем угля с XIX века является транспорт, затем уголь стали использовать для производства электроэнергии, металлургического кокса, получения при химической переработке разнообразных продуктов, углеграфитовых конструкционных материалов, пластических масс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для производства удобрений.
Каменный уголь - сложная смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых входят следующие элементы: С, Н, N, О, S. Каменный уголь, как и нефть, содержит большое количество различных органических веществ, а также и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод – уголь.
Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха в коксовых печах при температуре 1000–1200°С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты:
1. коксовый газ (водород, метан, угарный и углекислый газы, примеси аммиака, азота и других газов);
2. каменноугольная смола (несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения);
3. надсмольная, или аммиачная, вода (растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества);
4. кокс (твердый остаток коксования, практически чистый углерод).
Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.
При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода.
Пропуская несконденсированные продукты (аммиак, бензол, водород, метан, СО 2 , азот, этилен и др.) через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350°С, то остается твердая масса – пек. Его применяют для изготовления лаков.
Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600°С под давлением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Получение жидкого топлива из угля. Жидкое синтетическое топливо - это высокооктановый бензин, дизельное и котельное топливо. Чтобы получить жидкое топливо из угля, необходимо увеличить в нем содержание водорода путем гидрирования. Гидрогенизацию проводят с использованием многократной циркуляции, которая позволяет превратить в жидкость и газы всю органическую массу угля. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля.
Газификация угля позволит использовать низкокачественные бурый и каменный угли на теплоэлектростанциях, не загрязняя окружающую среду соединениями серы. Это единственный метод получения концентрированного монооксида углерода (угарного газа) СО. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:
nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O;
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.
Если сухую перегонку угля проводить при 500–550°С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).
В природе каменный уголь находится в следующих регионах: Подмосковный бассейн, Южно-Якутский бассейн, Кузбасс, Донбасс, Печорский бассейн, Тунгусский бассейн, Ленский бассейн.
Природный газ.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан CH 4 (от 75 до 98% в зависимости от месторождения), остальное приходится на долю этана, пропана, бутана и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти - меркаптаны. Именно они сообщают газу специфический неприятный запах, а при сжигании приводят к образованию токсичного диоксида серы SO 2 .
Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его в процентах по объему следующий:
| СН 4 | С 2 Н 6 | С 3 Н 8 | С 4 Н 10 | N 2 и другие газы |
| 75-98 | 0,5 - 4 | 0,2 – 1,5 | 0,1 – 1 | 1-12 |
Метан образуется при анаэробном (без доступа воздуха) сбраживании растительных и животных остатков, поэтому образуется в донных отложениях и носит название "болотного" газа.
Залежи метана в гидратированной кристаллической форме, так называемый метангидрат, обнаружены под слоем вечной мерзлоты и на больших глубинах океанов. При низких температурах (−800ºC) и высоких давлениях молекулы метана размещаются в пустотах кристаллической решетки водяного льда. В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата "законсервировано" 164 кубометра газа.
Куски метангидрата выглядят как грязный лед, но на воздухе сгорают желто-синим пламенем. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата ("гига" равен 1 миллиарду). Такие объемы во много раз превышают все известные на сегодняшний день запасы природного газа.
Природный газ является возобновляемым природным ресурсом, так как синтезируется в природе непрерывно. Его еще называют "биогазом". Поэтому перспективы благополучного существования человечества многие ученые-экологи связывают сегодня именно с использованием газа в качестве альтернативного топлива.
В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы, продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Поэтому около 90% всего объема добываемого природного газа сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и в котельных, в термических процессах на промышленных предприятиях и в быту. Около 10% природного газа используют как ценное сырье для химической промышленности: для получения водорода, ацетилена, сажи, различных пластмасс, медикаментов. Из природного газа выделяют метан, этан, пропан и бутан. Продукты, которые можно получить из метана, имеют важное промышленное значение. Метан используется для синтеза многих органических веществ − синтез-газа и дальнейшего синтеза на его основе спиртов; растворителей (четыреххлористого углерода, хлористого метилена и др.); формальдегида; ацетилена и сажи.
Природный газ образует самостоятельные месторождения. Основные месторождения природных горючих газов расположены в Северной и Западной Сибири, Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе (Ставрополе), в Республике Коми, Астраханская область, Баренцево море.
